蠶豆冷凍-真空干燥工藝的優化*

張芳，張永茂，張海燕，康三江

(甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所，甘肅 蘭州，730070)

蠶豆(vicia faba)含有豐富的營養物質，100 g 鮮蠶豆的膳食纖維達1 200 mg，鉀351 mg，鈉31.7 mg，鈣16 mg，磷224 mg，鐵2.6 mg，鎂78 mg，胡蘿卜素0.26 mg，硫胺素0.12 mg，核黃素0.09 mg，尼克酸1.6 mg，抗壞血酸11 mg 等［1］。由于我國對蠶豆的研究還不夠深入，特別是蠶豆高附加值產品的研究不夠，產品種類少，生產規模小。尋找和開發新的天然的蠶豆保健休閑食品將有重要意義［2］。

冷凍-壓差脫水膨化工藝生產果品蔬菜脆片的方法［3］是甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所的一項專利技術，該技術將冷凍技術與真空干燥技術有機結合，應用該技術生產的蠶豆脆片，在解決了真空油炸果蔬脆片含油量高、不易貯存、含有丙烯酰胺致癌物等問題的同時，仍保留了原蠶豆絕大部分風味、色澤和營養成分、口感酥脆，產品綠色天然。

真空冷凍干燥技術近年來在國內得到廣泛的應用，但其產品在國際市場的價格是熱風干燥食品的4～6 倍［4］，主要原因是真空冷凍干燥的成本是熱風干燥的4 ～8 倍，加拿大Ratti［5］從產品收縮率、動力學和玻璃化轉變溫度的角度，對熱風干燥和真空冷凍干燥在食品中的應用做了總結性評價，并指出真空冷凍干燥高額的生產成本使其在食品加工行業中應用較少，熱風干燥產品的收縮率較大，產品質量較低，同時指出以后的發展趨勢是聯合干燥。目前，蠶豆非油炸冷凍-真空干燥加工方面的研究與應用鮮有報道。本研究以蠶豆為原料，采用中心組合實驗設計，采用響應面分析法(RSM)［6］對影響蠶豆冷凍-真空干燥工藝的關鍵因素進行優化研究，以期確定最佳的干燥蠶豆工藝，生產出高品質蠶豆干燥產品。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設備

1.1.1 材料

蠶豆，產地甘肅蘭州。

1.1.2 儀器設備

DHG-9140 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;果蔬壓差膨化成套設備，天津市勤德新材料科技有限公司;CR-400/410 色差計，日本美能達公司;JSM-5600LV 低真空掃描電子顯微鏡，日本電子光學公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蠶豆冷凍-真空干燥工藝流程

鮮蠶豆→去莢、去皮→清洗→燙漂→瀝干→冷凍→解凍-冷凍調整水分含量→均濕→冷凍→真空膨化干燥→包裝

1.2.2 操作要點

將去莢后的蠶豆粒清洗，沸水燙漂120 s，冷卻，將蠶豆解凍-冷凍調整至所需的水分含量后，置于-27(±1)℃的冰箱中冷凍備用。再入真空膨化干燥設備內進行不同處理的真空干燥，使蠶豆最終含水率小于6%，后進行包裝。

1.2.3 指標分析測定方法

1.2.3.1 水分測定方法

參照GB/T5009.3 -2010 食品中水分的測定［7］。

1.2.3.2 色澤測定方法

利用色彩色差計，以儀器白板色澤為標準，依CIELAB 表色系統測量蠶豆的明度指數L*。L*稱為明度指數。L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色。產品評價L*值越大，產品顏色鮮亮，色澤越好。

1.2.3.3 膨化度的測定

采用比容法。用超細石英砂填埋的方法測定膨化產品的體積。測量儀器自制，誤差小于0.2 mL，取平均值。

式中:V 為膨化后的體積，mL;V0膨化前的體積，mL。

1.2.3.4 電鏡掃描

樣品采用濺射鍍膜法對樣品進行表面鍍金，表面鍍金的樣品置于掃描電鏡下觀察。

1.2.4 優化實驗設計

在前期單因素實驗的基礎上，將原料經過冷凍后進行真空干燥。冷凍-真空干燥蠶豆是一個多因素作用的復雜過程，故采用中心組合設計方法，以影響產品質量的原料冷凍后含水率(X1)、真空干燥溫度(X2)與真空脫水時間(X3)作為因素，將產品含水率(Y1)、膨化度(Y2)、色澤作為響應值(Y3)，通過統計分析得出真空干燥過程中工藝參數對膨化效果的影響，設計如表1 所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding of factors and levels

1.2.5 統計分析

采用Design-Expert7.1.6 軟件對實驗數據進行處理分析及響應面分析。

2 結果與分析

優化實驗設計所得結果見表2，應用Design-Expert 7.1.6 軟件，對表2 中的數據進行多元回歸擬合并優化出20 組實驗安排，并選用模型對所得數據進行回歸分析。

表2 實驗設計與結果Table 2 Experimental designs and results

2.1 回歸方程及其參數分析

以X1、X2、X3為自變量，產品含水率Y1、膨化度Y2、明度指數值Y3為響應值，應用Design-Expert 7.1.6 軟件，對表2 中的數據進行回歸擬合分析，回歸系數及顯著性分析見表3。得到各個因素與產品水分含量Y1、膨化度Y2、明度指數Y3指標之間的多元二次回歸方程式如下:

表3 回歸系數及顯著性分析Table 3 Significance analysis of regression coefficient

由方差分析Y1Y2Y3可以得出，Y1模型P ＜0.000 1，Y2模型P ＜0.000 1，Y3模型P ＜0.000 1，說明該模型及其顯著，各方程的決定系數R2值＞0.95，說明預測值和實驗值之間有較好的相關性，模型擬合程度較好，此方程在本實驗中有意義，可用該方程對產品含水率、真空干燥溫度、真空脫水時間條件下蠶豆脆片的產品含水率、膨化度、明度指數值進行預測。進行顯著性檢驗可知，實驗所建立的模型中，X1、X2、X3、X22、X32在蠶豆的真空干燥中對產品含水率的影響均達到極顯著水平，X1X2、X1X3、X2X3、X12、X1X2、X1X3對產品含水率的影響顯著;X1X3、X12、X22、X32在蠶豆的真空干燥中對膨化度的影響均達到極顯著水平，X1、X2、X3、X1X2在蠶豆的壓差脫水中對膨化度的影響顯著;X12、X22、X32在蠶豆的真空干燥中對明度指數的影響均達到極顯著水平，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3對明度指數的影響顯著。方差分析結果表明，原料冷凍后含水率、真空干燥溫度和真空脫水時間對產品含水率影響均極顯著。各因素對產品含水率Y1影響程度依次為:原料冷凍后含水率、真空脫水時間和真空干燥溫度。各因素對產品膨化度Y2影響均極顯著，影響程度依次為:原料冷凍后含水率、真空干燥溫度和真空脫水時間。各因素對產品色澤Y3影響顯著，影響程度依次為:真空脫水時間、真空干燥溫度和原料冷凍后含水率。

2.2 各工藝參數的響應面分析

2.2.1 三因素對膨化產品含水率的影響

圖1 中a、b、c 分別為原料冷凍后含水率(X1)和真空干燥溫度(X2)、原料冷凍后含水率(X1)和真空脫水時間(X3)以及真空干燥溫度(X2)和真空脫水時間(X3)對產品含水率(Y1)的交互作用的響應面分析圖。由圖1 可以看出，隨著X1、X2、X3的升高，產品含水率呈下降趨勢。

圖1 三因素對膨化產品含水量的影響Fig.1 Effect of three factors on the water content of expanded products

2.2.2 三因素對膨化產品膨化度的影響

圖2 中a、b、c 分別為原料冷凍后含水率(X1)和真空干燥溫度(X2)、原料冷凍后含水率(X1)和真空脫水時間(X3)以及真空干燥溫度(X2)和真空脫水時間(X3)對產品膨化度(Y2)的交互作用的響應面分析圖。由圖2 可知，隨著X1、X2、X3的升高，膨化度逐漸增加，直到最高點，但當X1、X2、X3繼續升高超過實驗所取代中心值時，膨化度隨著因素增大而逐漸下降，說明原料冷凍后含水率、真空干燥溫度及真空脫水時間過高或過低時，蠶豆脆片均不能較好地膨化。

2.2.3 三因素對膨化產品色澤的影響

圖3 中a、b、c 分別為原料冷凍后含水率(X1)和真空干燥溫度(X2)、原料冷凍后含水率(X1)和真空脫水時間(X3)以及真空干燥溫度(X2)和真空脫水時間(X3)對產品色差值(Y3)的交互作用的響應面分析圖。由圖3 可知，色差值隨著X1、X2、X3的升高逐漸減小，當各因子繼續升高超過實驗所取代中心值時，色差值隨著因素增大而增大，色澤變差，說明X1、X2、X3相互作用均會有一個最優編碼組合使產品色澤最佳。

圖2 三因素對膨化產品膨化度的影響Fig.2 Effect of three factors on the puffing rates of expanded products

圖3 三因素對膨化產品色澤的影響Fig.3 Effect of three factors on the color of expanded products

2.3 冷凍-真空干燥工藝的優化

通過中心組合實驗結果分析可知，隨著蠶豆原料冷凍含水率的降低，產品含水率Y1幾乎線性升高，膨化度Y2、色澤Y3變化呈先升高后降低趨勢。對Y3、Y2、Y1進行優化，確定色澤Y3＞78.33、膨化度Y2＞2.13、含水率Y1＜5.62%，綜合考慮3 個指標的回歸模型，確定優化工藝參數范圍:原料冷凍后含水率為50%，真空干燥溫度為85℃，真空脫水時間為120 min。按照優化工藝進行驗證實驗，結果表明，膨化產品的色澤Y3＞78.33、膨化度Y2＞2.13、含水率Y1＜5.62%，說明采用Central Composite Design 的模型優化得到的干燥工藝參數準確可靠，具有實用價值。

2.4 蠶豆冷凍-真空脫水膨化前后組織結構變化

從圖4 看出，蠶豆鮮樣組織內含有很多淀粉粒，組織結構比較致密，而冷凍-真空干燥后產品淀粉已糊化且充分膨脹，有蜂窩狀的超微結構，通過冷凍處理，自由水結成冰，產品的基本結構已經形成，因此，真空干燥對其結構的影響較小，組織結構幾乎沒有發生皺縮、塌陷，冷凍-真空干燥后的蠶豆形態較好。

3 結論

圖4 蠶豆冷凍-真空脫水膨化前后的掃描電子顯微鏡圖片Fig.4 Scanning electron micrographs of freeze-vacuum drying and fresh Vicia faba

(1)采用中心組合實驗設計及響應面分析方法優化了蠶豆冷凍-真空干燥工藝，并建立了蠶豆冷凍-真空干燥的二次多項式數學模型。結果表明，原料冷凍后含水率、真空干燥溫度、真空脫水時間對冷凍真空干燥產品含水率、膨化度和色澤有顯著的影響。

(2)各因素的交互作用顯著地影響產品的各質量指標。

(3)蠶豆冷凍-真空干燥優化的工藝參數為:蠶豆原料冷凍后含水率為50%，真空干燥溫度為85℃，真空干燥時間為120 min。

［1］ 李愛萍，鄭開斌，蔡宣梅. 蠶豆的利用價值［J］. 糧油食品科技，2009，9(4):45 -46.

［2］ 吳廣輝，畢韜韜. 蠶豆的開發利用［J］. 糧油加工，2010(4):115 -117.

［3］ 張永茂，張芳，黃錚，等. 冷凍-壓差脫水膨化工藝生產果 品 蔬 菜 脆 片 的 方 法 ［P ］ .CN，ZL200910002869.9.2011 -12 -07.

［4］ 童軍茂，馬玉林. 我國凍干食品的現狀和前景展望［J］. 糧油及食品機械，2001(3):5 -7.

［5］ Ratti C. Hot air and freeze-drying of high-value foods:a review［J］.Journal of Food Engineering，2001(49):311 -319.

［6］ 費榮昌. 實驗設計與數據處理［M］. 無錫:江南大學出版社，2011:59 -63.

［7］ GB 5009.3 -2010［S］. 食品中水分的測定方法.